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1、电子工业出版社电子工业出版社第第4 4章章 电感式传感器电感式传感器线位移及尺寸测量线位移及尺寸测量电子工业出版社电子工业出版社 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器 4.2 4.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 4.3 4.3 涡流传感器涡流传感器 4.4 4.4 感应同步器感应同步器 4.5 4.5 线位移及尺寸测量基本知识线位移及尺寸测量基本知识 4.6 4.6 电感式位移传感器电感式位移传感器 4.7 4.7 其它线位移及尺寸测量传感器其它线位移及尺寸测量传感器 本章内容本章内容电子工业出版社电子工业出版社绪绪论论电感式传感器是利用线圈电感式传感器是利用线圈自感自感（sel
2、f-inductance of coils ）或或互感互感（mutual inductance of coils）的改变来实现测量的一种装的改变来实现测量的一种装置。可以测量位移、振动、压力、流量、比重等参数。置。可以测量位移、振动、压力、流量、比重等参数。电感式传感器的核心部分是可变的自感或互感，在将被测量电感式传感器的核心部分是可变的自感或互感，在将被测量转换成线圈自感或互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或转换成线圈自感或互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有电感绕利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有电感绕组。组。习惯上讲的电感
3、式传感器通常指习惯上讲的电感式传感器通常指自感式传感器自感式传感器（变磁阻式变磁阻式reluctance variation sensors），而互感式传感器由于它利用变压而互感式传感器由于它利用变压器原理，又往往做成差动式，故称作器原理，又往往做成差动式，故称作差动变压器差动变压器（linear variable differential transformers(LVDTs)）此外，利用涡流原理的电涡流此外，利用涡流原理的电涡流式传感器（式传感器（Eddy current sensors ）、）、利用材料压磁效应（利用材料压磁效应（Piezo-magnetic effect）的压磁式传感器
4、、利用平面绕组互感原理的感的压磁式传感器、利用平面绕组互感原理的感应同步器应同步器(I Inductosyn)等，亦属电感式传感器等，亦属电感式传感器电子工业出版社电子工业出版社 特特 点点（1 1）工作可靠、寿命长；）工作可靠、寿命长；（2 2）灵敏度高、分辨率高）灵敏度高、分辨率高;位移位移:0.01:0.01m;m;角度角度0.1”;0.1”;输出信号强，电压灵敏度可达数输出信号强，电压灵敏度可达数百百mV/mm mV/mm。（3 3）精度高、线性好精度高、线性好;在几十在几十mm到数百到数百mmmm的位移范围内，输出特性的线性度较好，的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。非线
5、性误差：且比较稳定。非线性误差：0.05%0.1%；（4 4）性能稳定、重复性好。）性能稳定、重复性好。不足不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。电子工业出版社电子工业出版社4.14.1自感式自感式(变磁阻变磁阻)传感器传感器4.1.1工作原理工作原理1线圈线圈coil；2铁芯铁芯Magnetic core；3衔铁衔铁Moving coreself-inductance of coil is:式中：式中：N-number of turns RM-reluctancex RM L电子工业出版社电子工业出版社 因为气隙较小因为气隙较小(0.1(0.11
6、mm)1mm)，所以，认为气隙磁场是均匀的，所以，认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为:铁芯磁导率远大于空气铁芯磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小阻远较气隙磁阻小线圈自感线圈自感L为：为：分类：分类：变气隙厚度变气隙厚度的电感式传感器；的电感式传感器；变气隙面积变气隙面积S S的电感式传感器；的电感式传感器；变铁芯磁导率变铁芯磁导率的电感式传感器；的电感式传感器；电子工业出版社电子工业出版社自感式电感传感器常见的形式自感式电感传感器常见的形式 1线圈线圈coil；2铁芯铁芯Magnetic core；3衔铁衔铁
7、Moving core变气隙式变气隙式变截面式变截面式螺线管式螺线管式电子工业出版社电子工业出版社L=f（S）L=f（）LSL=f()为非线性关系。当为非线性关系。当0时，时，L为为，考虑导磁体的磁阻，当，考虑导磁体的磁阻，当0时，并不等于时，并不等于，而具有一定，而具有一定的数值，在的数值，在较小时其特性曲线较小时其特性曲线如图中虚线所示。如移动衔铁使如图中虚线所示。如移动衔铁使面积面积S改变，从而改变改变，从而改变L值时值时,则则Lf(S)的特性曲线为一直线。的特性曲线为一直线。4.1.24.1.2电感计算与输出特性分析电感计算与输出特性分析电子工业出版社电子工业出版社1.1.变气隙式自感
8、气隙式自感传感器感器如如图，传感器初始感器初始电感量感量为：传感器工作时，若衔铁移动使气隙增加传感器工作时，若衔铁移动使气隙增加，则电感减小，变化量为则电感减小，变化量为LL：自感的相自感的相对变化量化量为：电子工业出版社电子工业出版社一般，一般，则上式，则上式可由泰勒级可由泰勒级数数展开展开成成级级数形式为数形式为将上式作将上式作线性性处理，忽略高次理，忽略高次项，可得自感，可得自感变化与气隙化与气隙变化成近似化成近似线性关系：性关系：变气隙式自感传感器的灵敏度为变气隙式自感传感器的灵敏度为可见，灵敏度可见，灵敏度K K随初始气隙的增大而减小随初始气隙的增大而减小。电子工业出版社电子工业出版
9、社非线性误差为非线性误差为:非线性误差随非线性误差随 的增大而增大的增大而增大 采用采用图示差示差动变隙式隙式电感感传感感器，可以减小非器，可以减小非线性，提高灵性，提高灵敏度。敏度。差动变隙式自感传感器差动变隙式自感传感器的电感变化量为：的电感变化量为：电子工业出版社电子工业出版社差动式电感传感器的电感相对变化量为：差动式电感传感器的电感相对变化量为：当当，上式展开成，上式展开成泰勒级泰勒级数：数：忽略忽略高高次项次项，可，可得得:差动变隙式自感传感器的灵敏度为差动变隙式自感传感器的灵敏度为非线性误差为非线性误差为电子工业出版社电子工业出版社差差动动式式自自感感传传感感器器的的灵灵敏敏度度比
10、单线圈传感器提高一倍比单线圈传感器提高一倍差差动动式式自自感感传传感感器器非非线线性性失失真真小小,如如当当/=10/=10时时 ,单单线线圈圈1010；而而差差动动式式的的 1 1采采用用差差动式式传感感器器，还能能抵抵消消温温度度变化化、电源源波波动、外外界界干干扰、电磁磁吸吸力力等等因因素素对传感感器的影响器的影响 75502505075100L/mH/mm10025LD432112341 线圈线圈自感特性曲线；自感特性曲线；2 线圈线圈自感特性曲线；自感特性曲线；3 线圈线圈与与差动自感特性曲线；差动自感特性曲线；4 差动电桥输出电压位移特性曲线差动电桥输出电压位移特性曲线电子工业出版
11、社电子工业出版社LL1L2 L00 注意！注意！当当气气隙隙发发生生变变化化时时，自自感感的的变变化化与与气气隙隙变变化化均均呈呈非非线线性性关关系系，其其非非线线性性程程度度随随气气隙隙相相对变化对变化/的增大而增加；的增大而增加；气隙减少气隙减少所引起的自感所引起的自感变化变化L L1 1与气隙增加同样与气隙增加同样所引起的自感变化所引起的自感变化L L2 2并不相并不相等，即等，即L L1 1L L2 2，其差值随其差值随/的增加而增大。的增加而增大。电子工业出版社电子工业出版社rx螺管线圈螺管线圈铁芯铁芯单线圈螺管型传感器结构图单线圈螺管型传感器结构图l 2.2.螺线管型电感传感器螺线
12、管型电感传感器 有单线圈和差动式两种结构形式。有单线圈和差动式两种结构形式。单单线线圈圈螺螺管管型型传传感感器器的的主主要要元元件件为为一一只只螺螺管管线线圈圈一一根根圆圆柱柱形形铁铁芯芯及及磁磁性性套套筒筒。传传感感器器工工作作时时，因因铁铁芯芯在在线线圈圈中中伸伸入入长长度度的的变变化化，引引起起线线圈圈泄泄漏漏路路径径中中磁磁阻阻的的变变化化，从从而而使使线线圈圈自自感感发发生变化。生变化。电子工业出版社电子工业出版社螺管线圈螺管线圈1铁芯铁芯差动螺管型传感器结构图差动螺管型传感器结构图螺管线圈螺管线圈2磁性套筒磁性套筒主磁通主磁通漏磁通漏磁通电子工业出版社电子工业出版社x螺管线圈内磁场
13、分布曲线螺管线圈内磁场分布曲线rl1.00.80.60.40.20.2 0.4 0.60.81.0H（）INlx（l）螺管式自感传感器根据其磁螺管式自感传感器根据其磁路结构，磁通主要由两部分组路结构，磁通主要由两部分组成：磁通沿轴向贯穿整个线圈成：磁通沿轴向贯穿整个线圈后闭合的为后闭合的为 主磁通主磁通；另外经铁；另外经铁芯侧面气隙闭合的侧磁通称为芯侧面气隙闭合的侧磁通称为漏磁通漏磁通。铁芯在开始插入。铁芯在开始插入（x x=0=0）或几乎离开线圈时的灵或几乎离开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线圈的敏度，比铁芯插入线圈的1/21/2长长度时的灵敏度小得多。这说明度时的灵敏度小得多。这说明只有在线圈
14、中段才有可能获得只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的较高的灵敏度，并且有较好的线性特性。线性特性。电子工业出版社电子工业出版社xlr设设螺管线圈全长为螺管线圈全长为l,内径为内径为r,匝匝数为数为N,通电电流强度为通电电流强度为I。沿轴沿轴线任意一点线任意一点P的磁场强度的磁场强度H为：为：为简化分析，设螺管线圈的长径为简化分析，设螺管线圈的长径比比圈内磁场强度分布均匀，线圈圈内磁场强度分布均匀，线圈中心处的磁场强度为：中心处的磁场强度为：，则可可认为螺管螺管线则空心螺管线圈的电感为：则空心螺管线圈的电感为：电子工业出版社电子工业出版社当当线圈圈插插有有铁芯芯时，由由于于铁芯芯
15、是是铁磁磁性性材材料料，使使插插入入部部分分的的磁磁阻下降，故磁感阻下降，故磁感强度度B B增大，增大，电感感值增加。增加。设铁芯芯长度度与与线圈圈长度度相相同同，铁芯芯半半径径为 ，线圈圈所所包包围横横截截面面上上的的磁磁通通量量由由两两部部分分组成成：铁芯芯所所占占截截面面的的磁磁通通量量和和气气隙隙的磁通量，的磁通量，总磁通量磁通量为:线圈电感增大为：线圈电感增大为：如果铁芯长度如果铁芯长度 小于小于线圈圈长度度l，则线圈圈电感感为电子工业出版社电子工业出版社 当当 增加增加时，线圈圈电感增大感增大L L，则电感变化量为电感变化量为电感的相对变化量为电感的相对变化量为可可以以看看出出，若
16、若被被测量量与与 成成正正比比，则L L与与被被测量量也也成成正正比比。实际中中，由由于于线圈圈长度度有有限限，线圈圈磁磁场强度度分分布布并并不不均均匀匀，输入入量量与与输出量之出量之间的关系是非的关系是非线性的。性的。电子工业出版社电子工业出版社为为了了提提高高灵灵敏敏度度与与线线性性度度,常常采采用用差差动动螺螺管管式式自自感感传传感感器器。图图(b)(b)中中H=f(x)曲曲线线表表明明：为为了了得得到到较较好好的的线线性性,铁铁芯芯长长度度取取0.6l时时,则则铁铁芯芯工工作作在在H H曲曲线线的的拐拐弯弯处处,此此时时H H变变化化小小。这这种种差差动动螺螺管管式式自自感感传传感感器
17、器的的测测量量范范围围为为(550)mm,非非线线性性误误差在差在0.5左右。左右。2lclc2l线圈线圈r0.80.60.40.20.20.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.4xH（）INlx(l)(a)(b)电子工业出版社电子工业出版社4.1.3 4.1.3 电感传感器等效电路电感传感器等效电路（1 1）铜损电阻）铜损电阻R Rc c （2 2）涡流损耗电阻）涡流损耗电阻R R（3 3）磁滞损耗电阻）磁滞损耗电阻R Rh h（4 4）并联寄生电容）并联寄生电容C C 电子工业出版社电子工业出版社4.1.4 4.1.4 自感式传感器的信号调节电路自感式传感器的信号调节电路
18、图中中B B点的点的电压为：图中中A A点的点的电压为：1.1.变压器器电桥输出出电压：讨论：讨论：（1 1）当铁芯处于中间位置时，）当铁芯处于中间位置时，Z Z1 1=Z=Z2 2=Z=Z，这时这时U U0 0=0,=0,电桥平衡；电桥平衡；（2 2）当铁芯向下移动时，下面线圈的阻抗增加，）当铁芯向下移动时，下面线圈的阻抗增加，Z Z2 2=Z+=Z+ZZ，上上面线圈的阻抗减小，面线圈的阻抗减小，Z Z1 1=Z-Z=Z-Z得：得：电子工业出版社电子工业出版社反之，当铁芯向上移动同样大小的距离时，反之，当铁芯向上移动同样大小的距离时，Z Z2 2=Z-=Z-Z,Z,Z Z1 1=Z+Z=Z+
19、Z，得：得：幅幅值为：输出电压幅值为输出电压幅值为:两两种种情情况况的的输出出电压大大小小相相等等，方方向向相相反反，由由于于E E是是交交流流电压，所以所以输出出电压U U0 0在在输入到指示器前必入到指示器前必须先先进行整流、行整流、滤波。波。电子工业出版社电子工业出版社2.2.带相敏整流的交流相敏整流的交流电桥由由于于电路路结构构不不完完全全对称称,当当输入入电压中中包包含含有有谐波波时，输出出端端在在铁芯芯位位移移为零零时将将出出现残余残余电压，称之，称之为零点残余零点残余电压。采采用用相相敏敏整整流流电路路可可以以消消除除零零点点残残余余电压、判判别衔铁位移的方向位移的方向、改善改善
20、线性度性度。电子工业出版社电子工业出版社4.1.5 4.1.5 影响传感器精度的因素分析影响传感器精度的因素分析1.1.电源电压和频率波动的影响电源电压和频率波动的影响2.2.温度变化的影响温度变化的影响3.3.非线性特性的影响非线性特性的影响4.4.输出电压与电源电压之间的相位差输出电压与电源电压之间的相位差5.5.零位误差的影响零位误差的影响电子工业出版社电子工业出版社4.2 4.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器(LVDTs)电子工业出版社电子工业出版社1 初级线圈初级线圈;2.3次级线圈次级线圈;4衔铁衔铁4123基本元件有衔铁、初级线圈、次基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线
21、圈框架等。初级线圈级线圈和线圈框架等。初级线圈作为差动变压器激励用，相当于作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由结变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副相串接而成，相当于变压器的副边。螺管形差动变压器根据初、边。螺管形差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。四节式和五节式等形式。4.2.1 4.2.1 螺管形差动变压器螺管形差动变压器电子工业出版社电子工业出版社321212112(a)(b)(c)(d)121121 1 初级线圈；初级线圈；2 2
22、 次级线圈；次级线圈；3 3 衔铁衔铁3三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。电子工业出版社电子工业出版社副0EsEs1Es2x副原线圈差动变压器输出电势与差动变压器输出电势与衔铁位移的关系。其中衔铁位移的关系。其中x x表示衔铁偏离中心位表示衔铁偏离中心位置的距离。置的距离。EsRs1Rs2Es1Es2EpRpM1M2Ls1Ls2LpIp电子工业出版社电子工业出版社EsRs1Rs2Es1Es2EpRpM1M2Ls1Ls2LpIp设初级线圈的复数电流
23、值为设初级线圈的复数电流值为:输出电压：输出电压：将电流将电流 写成复指数形式：写成复指数形式：则则 电子工业出版社电子工业出版社则输出出电压为：讨论讨论:（1 1）磁芯处于中间平衡位置时，互感）磁芯处于中间平衡位置时，互感M M1 1=M M2 2=M=M，则，则E Es s=0=0；（2 2）磁芯上升时，磁芯上升时，M M1 1=M+MM+M，M M2 2=M-MM-M，则，则 (3)(3)磁芯下降时，磁芯下降时，M M1 1=M-MM-M，M M2 2=M+MM+M，则，则电子工业出版社电子工业出版社（1 1）灵敏度）灵敏度定义定义：差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动单位距离时：差动变
24、压器在单位电压激励下，铁芯移动单位距离时的输出电压；单位：的输出电压；单位：V/V/mm/Vmm/V；如何提高灵敏度？如何提高灵敏度？（2 2）频率特性率特性4.2.3 4.2.3 差动变压器特性分析差动变压器特性分析应用用时激激磁磁频率率一一般般在在400Hz400Hz到到5kHz5kHz的范的范围内内选择。(3)(3)线性范性范围一般差一般差动变压器的器的线性范性范围约为线圈骨架圈骨架长度的度的1/101/4。电子工业出版社电子工业出版社(5)(5)零位残余零位残余电压及其及其补偿当当差差动动变变压压器器的的衔衔铁铁处处于于中中间间位位置置时时，理理想想条条件件下下其其输输出出电电压压为为
25、零零。但但实实际际上上，当当使使用用桥桥式式电电路路时时，在在零零点点仍仍有有一一个个微微小小的的电电压压值值(从从零零点点几几mVmV到到数数十十mV)mV)存存在在，称称为为零零点点残残余余电电压压。如如图图是是扩扩大大了了的的零零点点残残余余电电压压的的输输出出特特性性。零零点点残残余余电电压压的的存存在在造造成成零零点点附附近近的的不不灵灵敏敏区区；零零点点残残余余电电压压输输入入放放大大器器内内会会使使放放大大器器末末级级趋趋向向饱和，影响电路正常工作等。饱和，影响电路正常工作等。0u0 x-xu00(4)(4)温度特性温度特性差差动变压器的使用温度通常器的使用温度通常为8080电子
26、工业出版社电子工业出版社零点残余电压产生原因：零点残余电压产生原因：基基波波分分量量。由由于于差差动动变变压压器器两两个个次次级级绕绕组组不不可可能能完完全全一一致致，因因此此它它的的等等效效电电路路参参数数（互互感感M M、自自感感L L及及损损耗耗电电阻阻R R）不不可可能能相相同同，从从而而使使两两个个次次级级绕绕组组的的感感应应电电势势数数值值不不等等。又又因因初初级级线线圈圈中中铜铜损损电电阻阻及及导导磁磁材材料料的的铁铁损损和和材材质质的的不不均均匀匀，线线圈圈匝匝间间电电容容的的存存在在等等因因素素，使使激激励励电电流流与与所所产产生生的的磁磁通通相相位位不不同。同。高高次次谐谐
27、波波。高高次次谐谐波波分分量量主主要要由由导导磁磁材材料料磁磁化化曲曲线线的的非非线线性性引引起起。由由于于磁磁滞滞损损耗耗和和铁铁磁磁饱饱和和的的影影响响，使使得得激激励励电电流流与与磁磁通通波波形形不不一一致致产产生生了了非非正正弦弦(主主要要是是三三次次谐谐波波)磁磁通通，从从而而在在次次级级绕绕组组感感应应出出非非正正弦弦电电势势。另另外外，激激励励电电流流波波形形失失真真，因因其其内内含含高高次次谐谐波波分分量量，这这样样也也将将导导致致零零点点残残余余电电压压中中有有高高次谐波成分。次谐波成分。电子工业出版社电子工业出版社消除零点残余电压方法：消除零点残余电压方法：（1 1）从设计
28、和工艺上保证结构对称性）从设计和工艺上保证结构对称性 为为保保证证线线圈圈和和磁磁路路的的对对称称性性，首首先先，要要求求提提高高加加工工精精度度，线线圈圈选选配配成成对对，采采用用磁磁路路可可调调节节结结构构。其其次次，应应选选高高磁磁导导率率、低低矫矫顽顽力力、低低剩剩磁磁感感应应的的导导磁磁材材料料。并并应应经经过过热热处处理理，消消除除残残余余应应力力，以以提提高高磁磁性性能能的的均均匀匀性性和和稳稳定定性性。由由高高次次谐谐波波产产生生的的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。（2 2）选用合适的测量线路）选用合适的测量线路采用相敏检
29、波电路不仅可鉴别衔铁移动采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。如次谐波引起的零点残余电压消除掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由性曲线由1 1变到变到2 2，从而消除了零点残余，从而消除了零点残余电压。电压。u0+x-x210相敏检波后的输出特性相敏检波后的输出特性电子工业出版社电子工业出版社（3 3）采用补偿线路）采用补偿线路由由于于两两个个次次级级线线圈圈感感应应电电压压相相位位不不同同，并并联联电电容容可可改改变变其其一一的的相相位位，也也可可将将
30、电电容容C C改改为为电电阻阻，如如图图(a a)。由由于于R R的的分分流流作作用用将将使使流流入入传传感感器器线线圈圈的的电电流流发发生生变变化化，从从而而改改变变磁磁化化曲曲线线的的工工作作点点，减减小小高高次次谐谐波波所所产产生生的的残残余余电电压压。图图(b b)中中串串联联电电阻阻R R可以调整次级线圈的电阻分量。可以调整次级线圈的电阻分量。uiu0CRuiu0CR(a)(b)调相位式残余电压补偿电路调相位式残余电压补偿电路电子工业出版社电子工业出版社并并联联电电位位器器W W用用于于电电气气调调零零，改改变变两两次次级级线线圈圈输输出出电电压压的的相相位位，如如图图所所示示。电电
31、容容C C(0.02F)(0.02F)可可防防止止调调整整电电位位器器时时使使零零点移动。点移动。uiu0CR1R2W电位器调零点残余电压补偿电路电位器调零点残余电压补偿电路电子工业出版社电子工业出版社R或或L补偿电路补偿电路uiu0L0Wuiu0R0W(a)(b)接接入入R R0 0(几几百百k)k)或或补补偿偿线线圈圈L L0 0(几几百百匝匝)。绕绕在在差差动动变变压压器器的的初初级级线线圈圈上上以以减减小小负负载载电电压压，避避免免负负载载不不是是纯纯电电阻阻而而引引起起较较大大的的零零点点残残余余电电压。电路如图。压。电路如图。电子工业出版社电子工业出版社4.2.44.2.4差动变压
32、器的测量电路差动变压器的测量电路1.1.差差动整流整流电路路根根据据半半导导体体二二级级管管单单向向导导通通原原理理进进行行解解调调的的。如如传传感感器器的的一一个个次次级级线线圈圈的的输输出出瞬瞬时时电电压压极极性性，在在f点点为为“”，e点点为为“”，则则电电流流路路径径是是fgdche（参参看看图图a）。反反之之，如如f点点为为“”，e e点点为为“”，则则电电流流路路径径是是ehdcgf。可可见见，无无论论次次级级线线圈圈的的输输出出瞬瞬时时电电压压极极性性如如何何，通通过过电电阻阻R R的的电电流流总总是是从从d到到c。同同理理可可分分析析另另一一个个次次级级线线圈圈的的输输出出情情
33、况况。输输出出的的电电压压波波形形见见图图（b），），其值为其值为USC=eabecd。电子工业出版社电子工业出版社全波整流电路和波形图e1RRcabhgfdeUSC衔铁在零位以下eabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd衔铁在零位以上衔铁在零位(b)(a)在f点为“”，则电流路径是fgdche(参看图a)。反之，如f点为“”，则电流路径是ehdcgf。电子工业出版社电子工业出版社2 2、相敏、相敏检波波电路路容容易易做做到到输输出出平平衡衡，便便于于阻阻抗抗匹匹配配。图图中中调调制制电电压压er和和e同同频频，经经过过移移相相器器使使er和和e保保持持同同相相或
34、或反反相相，且且满满足足ere。调调节节电电位位器器R可可调平衡，图中电阻调平衡，图中电阻R1=R2=R0，电容电容C1=C2=C0，输出电压为输出电压为UCD。当当铁铁芯芯在在中中间间时时,e=0,只只有有er起起作作用用，输输出出电电压压UCD0。若若铁铁芯芯上上移移，e0，设设e和和er同同相相位位，由由于于ere，故故er正正半半周周时时D1、D2仍仍导导通通，但但D1回回路路内内总总电电势势为为ere，而而D2回回路路内内总总电电势势为为ere，故故回回路路电电流流i1i2输出电压输出电压UCD=R0（i1i2）0。当。当er负半周时，负半周时，Ri1e1R1R2e21e22C2C1
35、er移相器D1D4D3D2CDABi3i2i4eUCD=R0(i4-i3)0，因因此此铁铁芯芯上上移移时时 输输 出出 电电 压压UCD0。当当 铁铁 芯芯下下移移时时，e和和er相相位位相相反反。同同理理可可得得UCD0。由由此此可可见见，该该电电路路能能判判别别铁铁芯芯移移动的方向。动的方向。电子工业出版社电子工业出版社4.3 4.3 涡流传感器涡流传感器(Eddy current sensors)根根据据法法拉拉第第电磁磁感感应定定律律，金金属属导体体置置于于变化化的的磁磁场中中或或在在磁磁场中中作作切切割割磁磁力力线运运动时，导体体内内将将产生生呈呈漩漩涡状状流流动的的感感应电流，称之
36、流，称之为电涡流流，这种种现象称象称为电涡流效流效应。涡流流的的大大小小与与金金属属的的电阻阻率率、磁磁导率率、几几何何尺尺寸寸、产生生磁磁场的的线圈圈与与金金属属的的距距离离x x，线圈圈的的激激磁磁电流流及及其其频率率等等参参数数有有关关。若若固固定定其其中中的的若若干干参参数数，就就能能按按涡流流的的大大小小测量量出出另另外外某某一参数。一参数。电涡流流式式传感感器器是是一一种种建建立立在在电涡流流效效应原原理理上上的的传感感器器，它它具具有有结构构简单、频率率响响应宽、灵灵敏敏度度高高、测量量线性性范范围大大、抗抗干干扰能能力力强以以及及体体积较小小等等一一系系列列优点点。电涡流流式式
37、传感感器器可可以以实现振振动、位位移移、尺尺寸寸、转速速、温温度度、硬硬度度等等参参数数的的非非接接触触测量，并且量，并且还可以可以进行无行无损探探伤。电子工业出版社电子工业出版社4.3.14.3.1高频反射式电涡流传感器结构和工作原理高频反射式电涡流传感器结构和工作原理1234561-线圈线圈 2-框架框架 3-衬套衬套4-支架支架 5-电缆电缆 6-插头插头电子工业出版社电子工业出版社测量量时线圈的等效阻抗圈的等效阻抗为：测量量时线圈圈阻阻抗抗随随金金属属导体体的的电阻阻率率、磁磁导率率、线圈圈激激励励电流流的的角角频率率以以及及线圈圈与与金金属属导体的距离体的距离x x等参数等参数变化，
38、即：化，即：若若能能控控制制式式中中其其它它参参数数不不变，只只改改变其其中中一一个个参参数数，这样阻阻抗抗就就能能成成为这个个参参数数的的单值函函数数，从从而而实现该参数的参数的测量量。电子工业出版社电子工业出版社2.2.测量量电路路 （1 1）调频电路）调频电路电子工业出版社电子工业出版社（2 2）调幅电路）调幅电路电子工业出版社电子工业出版社4.4 4.4 感应同步器感应同步器感感应应同同步步器器是是利利用用两两个个平平面面形形绕绕组组的的互互感感随随位位置置不不同同而而变变化化的的原原理理制制成成的的用用来来测测直直线线或或转转角角位位移移的的传传感感器器。测测量量直直线线位位移移的的
39、称称为为长长感感应应同同步步器器，测测量量转转角角位位移移的的称称为为圆圆感感应应同同步步器器。感感应应同步器具有如下优点：同步器具有如下优点：（1 1）具具有有较较高高的的测测量量精精度度和和分分辨辨力力。目目前前直直线线式式感感应应同同步步器器的的精精度度可可达达1.51.5 m m，分分辨辨力力达达0.050.05 m m；直直径径300mm300mm的的圆圆感感应应同同步步器精度达器精度达11，分辨力达，分辨力达0.050.05。（2 2）感感应应同同步步器器基基于于电电磁磁感感应应原原理理，感感应应电电势势仅仅取取决决于于磁磁通通量量的变化率，几乎不受环境因素如温度、油污、尘埃等的影
40、响。的变化率，几乎不受环境因素如温度、油污、尘埃等的影响。（3 3）工工作作时时无无接接触触摩摩擦擦、磨磨损损，使使用用寿寿命命长长，工工作作可可靠靠，抗抗干干扰能力强，非常适合于恶劣的工作环境，便于维护。扰能力强，非常适合于恶劣的工作环境，便于维护。（4 4）直直线线式式感感应应同同步步器器的的测测量量范范围围，可可以以根根据据需需要要将将若若干干个个定定尺接长使用，长度可达尺接长使用，长度可达20m20m。（5 5）工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。）工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。电子工业出版社电子工业出版社4.4.1 4.4.1 感应同步器的结构和工作原理感应同步器的结构
41、和工作原理 电子工业出版社电子工业出版社电子工业出版社电子工业出版社正正、余余弦弦绕绕组组在在定定尺尺中中的感应电动势分别为：的感应电动势分别为：式中式中电子工业出版社电子工业出版社4.4.2 4.4.2 感应同步器的信号处理与测量电路感应同步器的信号处理与测量电路1.1.鉴相法信号处理鉴相法信号处理应应用用时时，在在滑滑尺尺的的正正、余余弦弦绕绕组组上上供供给给频频率率相相同同、相相位位差差的的交交流激励电压：流激励电压：定定尺尺绕绕组组中中感感应应电电动动势势为为滑滑尺尺的的正正、余余弦弦绕绕组组共共同同产产生生的的，为：为：式中式中,电子工业出版社电子工业出版社2.2.鉴幅法信号处理鉴幅
42、法信号处理如果滑尺绕组的激励电压分别为如果滑尺绕组的激励电压分别为正弦绕组：正弦绕组：余弦绕组：余弦绕组：式中，式中，为激励电压的电相角。为激励电压的电相角。在定子绕组中产生的感应电动势的总和为在定子绕组中产生的感应电动势的总和为 调调整整激激励励电电压压的的值值，使使输输出出感感应应电电动动势势e0的的幅幅值值为为零零，为为此此，激励电压的激励电压的值就反映了感应同步器的相对位置值就反映了感应同步器的相对位置。电子工业出版社电子工业出版社4.5 4.5 线位移线位移/尺寸测量基本知识尺寸测量基本知识 在在机机械械加加工工等等生生产产领领域域，线线位位移移/尺尺寸寸测测量量是是最最为为常常见见
43、的的被被测测量量。尺尺寸寸测测量量大大多多定定义义为为两两点点、两两线线或或两两面面之之间间的的距距离离，如如轴轴径径、孔孔径径、工工件件的的长长宽宽高高等等。根根据据尺尺寸寸的的测测量量范范围围又又可可划划分分为为常常规规尺尺寸寸测测量量（1mm1m1mm1m）,大大尺尺寸寸测测量量（大大于于1m1m）和和微微小小尺尺寸寸测测量量（小小于于1mm1mm）。随随着着技技术术的的快快速速发发展展以以及及数数控控机机床床的的需需要要，被被加加工工尺尺寸寸的的在在线线监监测测也也日日趋趋成成熟熟。加加工工中中测测量量仪仪用用在在进进给给式式工工序序的的加加工工机机床床上上，如如外外圆圆磨磨床床、内内
44、圆圆磨磨床床、珩珩磨磨机机等等，每道工序刀具的进给量均由测得的被加工尺寸的实际大小确定。每道工序刀具的进给量均由测得的被加工尺寸的实际大小确定。线线位位移移测测量量从从物物理理学学定定义义就就是是质质点点在在直直线线方方向向位位置置的的变变化化量量，就就测测量量值值而而言言，线线位位移移测测量量与与尺尺寸寸测测量量实实质质是是一一样样的的。亦亦即即用用于于尺尺寸寸测测量量的的方方法法、传传感感器器和和仪仪器器大大多多能能用用于于线线位位移移的的测测量。量。电子工业出版社电子工业出版社4.6 4.6 电感式位移传感器电感式位移传感器电子工业出版社电子工业出版社电感测微头电感测微头电子工业出版社电
45、子工业出版社电子工业出版社电子工业出版社电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置 11气缸气缸 22活塞活塞 33推杆推杆 44被被测滚测滚柱柱 55落料管落料管 66电电感感测测微器微器 7 7钨钢测头钨钢测头 8 8限位限位挡挡板板 9 9电电磁翻板磁翻板 1010容器（料斗）容器（料斗）电子工业出版社电子工业出版社变气隙式电感测微仪变气隙式电感测微仪变气隙式电感测微仪变气隙式电感测微仪电子工业出版社电子工业出版社变气隙式差动压力传感器变气隙式差动压力传感器变气隙式差动压力传感器变气隙式差动压力传感器电子工业出版社电子工业出版社 微压力变送器微压力变送器将将差差动动变变压压器器和和弹弹
46、性性敏敏感感元元件件（膜膜片片、膜膜盒盒和和弹弹簧簧管管等等）相相结合，可以组成各种形式的压力传感器。结合，可以组成各种形式的压力传感器。220V1接头 2 膜盒 3 底座 4 线路板 5 差动变压器 6 衔铁 7 罩壳V振荡器稳压电源差动变压器相敏检波电路1234567这种变送器可分档测量这种变送器可分档测量(510(5105 56106105 5)N/m)N/m2 2压力，输出信号电压力，输出信号电压为压为(0(050)mV50)mV，精度为精度为1.51.5级。级。电子工业出版社电子工业出版社4.7 4.7 其它线位移其它线位移/尺寸测量传感器尺寸测量传感器4.7.14.7.1电容式位移
47、传感器电容式位移传感器电子工业出版社电子工业出版社4.7.24.7.2大量程位移测量传感器大量程位移测量传感器1.1.容栅式传感器容栅式传感器电子工业出版社电子工业出版社（1 1）调幅式测量系统）调幅式测量系统电子工业出版社电子工业出版社（2 2）调相式测量系统）调相式测量系统电子工业出版社电子工业出版社2.2.磁栅式传感器磁栅式传感器 磁磁栅式式传感感器器主主要要由由磁磁栅和和磁磁头组成成。磁磁栅上上录有有等等间距距的的磁磁信信号号，它它是是利利用用磁磁带录音音的的原原理理将将等等节距距的的周周期期变化化的的电信信号号(正正弦弦波波或或矩矩形形波波)用用录磁磁的的方方法法记录在在磁磁性性尺尺
48、子子或或圆盘上上而而制制成成的的。装装有有磁磁栅传感感器器的的仪器器或或装装置置工工作作时，磁磁头相相对于于磁磁栅有有一一定定的的相相对位位置置，在在这个个过程程中中，磁磁头把把磁磁栅上上的的磁磁信信号号读出来，出来，这样就把被就把被测位置或位移位置或位移转换成成电信号。信号。（1 1）工作原理和结构）工作原理和结构电子工业出版社电子工业出版社2)2)磁磁栅的的类型型磁磁栅分分为长磁磁栅和和圆磁磁栅两两大大类，分分别用用于于测量量直直线位位移移和和角角位移。位移。长磁磁栅又可分又可分为尺型、尺型、带型和同型和同轴型三种。型三种。电子工业出版社电子工业出版社磁栅式传感器实物图磁栅式传感器实物图电
49、子工业出版社电子工业出版社 磁磁头的的作作用用是是读取取磁磁栅上上的的记录信信号号，按按读取取方方式式不不同同，磁磁头可分可分为动态磁磁头和静和静态磁磁头两种。两种。1)1)动态磁磁头 动态磁磁头又又称称速速度度响响应磁磁头。它它由由铁镍合合金金材材料料制制成成的的铁心心和和一一组线圈圈组成，如成，如图。电子工业出版社电子工业出版社 2)2)静静态磁磁头 静静态磁磁头是是一一种种调制制式式磁磁头，又又称称磁磁通通响响应式式磁磁头，它它由由铁心心和和两两组线圈圈组成成，如如图所所示示。它它与与动态磁磁头的的根根本本不不同同就就是是在在磁磁头与磁与磁栅之之间没有相没有相对运运动的情况下也有信号的情
50、况下也有信号输出。出。电子工业出版社电子工业出版社 （2 2）磁栅式传感器的信号处理方法）磁栅式传感器的信号处理方法 动态磁磁头只只有有一一个个磁磁头和和一一组线圈圈，利利用用磁磁栅与与磁磁头间以以一一定定速速度度的的相相对移移动读出出磁磁栅上上的的信信号号，将将此此信信号号进行行处理理后后使使用。用。检测电路也路也较为简单。静静态磁磁头在在实际应用用中中总是是成成对使使用用，即即用用两两个个间距距为的的磁磁头，其其中中n n为正正整整数数，为磁磁信信号号节距距，也也就就是是两两个个磁磁头布布置置成成在在空空间相相差差9090。其其信信号号处理理方方式式分分为鉴幅幅和和鉴相相型型两两种种，其其